面板式可插拔远程激光源和包含所述激光源的系统的制作方法

相关申请

本申请要求于2019年8月8日提交的标题为“cpo开关面板式可插拔远程光源概念和集成方法(cposwitchfaceplatepluggableremotelightsourceconceptandmethodofintegration)”的第62/884,617号美国临时申请的优先权和权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

根据本公开的实施方案的一个或多个方面涉及光电系统，并且更具体地，涉及一种面板式可插拔远程激光源。

背景技术：

在电光交换系统中，一个或多个外部调制器可用于通过数据调制未调制激光。此种调制器可以从激光器接收未调制光，所述激光器可以与调制器集成在封装中，或者可以在单独的封装中，并通过光纤光学连接至容纳调制器的封装。可能有利地，将远程激光器安装在机架安装式外壳的面板中，使得可以容易地更换发生故障的远程激光器，并使得远程激光器位于热度上更有利的环境中，从而提高了激光器的效率和可靠性。

因此，需要面板式可插拔远程激光源。

技术实现要素：

根据本发明的实施方案，提供一种系统，其包括：具有面板的外壳；所述面板中的第一光连接器；激光器模块；以及连接在所述激光器模块与所述第一光连接器之间的环回光纤电缆，所述面板形成所述外壳的外部边界，所述激光器模块具有包括电接口的第一端和包括光接口的第二端，所述激光器模块的所述第一端接合在所述面板中的插座中，所述激光器模块的所述第二端延伸到所述面板之外，所述激光器模块被配置为通过所述电接口接收电功率，并在所述光接口处产生未调制光，所述环回光纤电缆和所述第一光连接器被配置为将所述未调制光路由回至所述外壳。

在一些实施方案中，所述激光器模块具有qsfp-dd形状因数。

在一些实施方案中，所述第一光连接器是多光纤推入式连接器。

在一些实施方案中，所述激光器模块的所述光接口包括第二光连接器，所述第二光连接器是多光纤推入式连接器。

在一些实施方案中，所述环回光纤电缆包括光纤，所述光纤不是保偏光纤。

在一些实施方案中，所述系统包括所述外壳中的光电开关模块，所述光电开关模块包括多个光学引擎，所述光学引擎中的每一个被配置为：将光数据信号转换为电数据信号，以及将电数据信号转换为光数据信号。

在一些实施方案中，所述激光器模块包括激光器，并且其中所述系统包括从所述激光器模块的所述激光器到所述多个光学引擎中的光学引擎的光学调制器的光路，所述光路没有光隔离器。

在一些实施方案中，在所述光电开关模块与所述面板之间的光纤路径包括在所述外壳内部的光连接器。

在一些实施方案中，包括在所述光电开关模块与所述面板之间的所述光纤路径的多个光纤路径包括共享光连接器。

在一些实施方案中，其中所述光电开关模块是矩形的，并且所述光电开关模块相对于所述外壳是倾斜的。

在一些实施方案中，所述光电开关模块相对于所述外壳成大约45度的角度。

在一些实施方案中，所述激光器模块包括控制电路，所述控制电路包括：电路，其用于向所述激光器模块的激光器供应驱动电流；放大器，其用于放大来自所述激光器模块中的监控光电二极管的信号；温度感测电路；内置自检电路；以及微控制器。

根据本发明的实施方案，提供一种激光器模块，其包括：多个激光器，所述激光器模块具有qsfp-dd形状因数，具有包括电接口的第一端和包括光接口的第二端，所述光接口包括多根光纤，所述激光器模块被配置为通过所述多根光纤中的第一光纤供应未调制光。

在一些实施方案中，所述光接口包括多光纤推入式连接器，所述多光纤推入式连接器包括多根光纤。

在一些实施方案中，所述多根光纤包括32根光纤，并且其中所述激光器模块被配置为通过所述32根光纤中的每根光纤供应未调制光。

在一些实施方案中，所述激光器模块被配置为在所述光接口处供应：在所述光接口的所述第一光纤处的第一波长的未调制光，以及在所述光接口的第二光纤处的第二波长的未调制光，所述第二波长与所述第一波长相差至少0.1nm。

在一些实施方案中，所述第二波长与所述第一波长相差至少6nm。

根据本发明的实施方案，提供一种系统，其包括：具有面板的外壳；所述外壳中的光电开关模块；以及通过光纤连接至所述光电开关模块的多个激光器模块，其中所述光电开关模块包括：开关集成电路；以及与所述开关集成电路共封装的多个光学引擎，并且其中所述多个光学引擎中的第一光学引擎被配置为：将光数据信号转换为电数据信号；并且使用来自所述多个激光器模块中的第一激光器模块的光将电数据信号转换为光数据信号。

在一些实施方案中，所述光电开关模块还包括用于接收光数据信号，用于接收未调制光以及用于传输光数据信号的多根光纤电缆，所述光纤电缆中的每一者包括多根光纤，并且所述光纤电缆中的每一者端接在光纤连接器中，所述系统还包括在所述外壳中的中板连接器，用于将所述光电开关模块的多根光纤电缆连接至延伸到所述面板的多根光纤电缆。

在一些实施方案中，所述系统还包括：所述面板中的第一光连接器；以及环回光纤电缆，其中：所述第一激光器模块的第一端接合在所述面板中的插座中；所述第一激光器模块的第二端延伸到所述面板之外；所述第一激光器模块被配置为在所述第一激光器模块的第二端产生未调制光；并且所述环回光纤电缆和所述第一光连接器被配置为将所述未调制光路由回至所述外壳。

在一些实施方案中，所述系统还包括：所述面板中的第一光连接器；以及所述面板中的第一电连接器，其中：所述第一激光器模块的第一端包括：与所述第一电连接器接合的第二电连接器，以及与所述第一光连接器接合的第二光连接器；并且所述第一激光器模块被配置为：通过所述第二电连接器接收电功率，并通过所述第二光连接器传输未调制光。

附图说明

参考说明书、权利要求书和附图将了解和理解本公开的这些和其它特征和优点，其中：

图1是根据本公开的实施方案的底架的透视图；

图2是根据本公开的实施方案的激光器模块的透视图，包括两个内部视图；

图3是根据本公开的实施方案的硅光子芯片上的倒装激光管芯的显微照片；

图4是根据本公开的实施方案的框图；

图5a是根据本公开的实施方案的具有中板光纤到光纤连接器的共封装光开关模块的顶视图；

图5b是图5a的一部分的放大图；以及

图6是根据本公开的实施方案的底架的一些元件的顶视图。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为对根据本公开提供的面板式可插拔远程激光源的示例性实施方案的描述，而并非旨在表示可构造或利用本公开的唯一形式。所述描述结合所示出的实施方案阐述本公开的特征。然而，应当理解，相同或等效的功能和结构可通过不同的实施方案来实现，这些不同的实施方案也意在包含于本公开的范围内。如本文其它地方所指示，相似的元件编号旨在指示相似的元件或特征。

在一些实施方案中，共封装光学器件(cpo)解决方案基于开关机架安装式底架或“开关盒”中的光学引擎技术、激光器模块和cpo开关模块封装概念。参考图1，底架100可包括外壳105(例如，由外壳105组成)，并且在外壳105内或连接至外壳105的有：(i)包括电子开关电路115(例如，可以是专用集成电路(asic)的cmos集成电路)的光电开关模块(或“cpo开关模块”)110，(ii)多个光学引擎120(在图1中被光电开关模块110的机械元件遮盖)，(iii)多个激光器模块125(其可插入外壳105的壁中的插座中)，(iv)光纤电缆组件130，其包括一个或多个光纤束和一个或多个连接器，以及(v)其它组件，例如电源135、冷却风扇140和母板145(可以在其上安装光电开关模块110)。每个光学引擎120可以执行电到光转换或光到电转换，或两者，并且还可以执行各种电信号处理功能，例如时钟和数据恢复、序列化、解序列化、用纠错码进行编码或解码等。每个光学引擎120可以包括在硅光子平台中实施的光子集成电路(pic)。pic可以包含光学装置，例如光电检测器(例如，单片ge光电检测器)、光学调制器(例如，混合集成式inp电吸收调制器)、硅光子波长复用器和解复用器，以及硅光子点尺寸转换器(或“模式转换器”)和用于光纤附接的v型槽。每个光学引擎120可符合400gbase-fr4依赖于物理介质的子层(pmd)规范。每个光学引擎120可以包括电集成电路(或“接口电路”)，用于将光学器件与开关asic(或“开关集成电路”)对接。

在操作中，光学引擎120中的每个光学调制器可以接收(i)来自激光器模块125的未调制光(在下文中进一步详细描述)和(ii)电驱动信号(基于通过接口电路接收到的电数据信号，由接口电路产生)，并且其可以产生光数据信号(即，调制光)。每个光电检测器可以接收调制光(即，光数据信号)，并且与接口电路(其可以包括跨阻放大器)一起，可以产生电数据信号。接口电路可以在bicmos或cmos中实施，也可以实施xsr兼容电接口。可以使用3d封装技术来制造光学引擎120，以实现高密度和高性能。每个光学引擎120可以是连接器连接的，例如，(i)通过光学引擎120的电连接器连接至母板145或安装有开关asic的其它基板，从而避免了焊接光学引擎120的需要并方便返工、维修和现场安装，或(ii)通过光纤连接器连接至激光器模块125以及携载传入或传出数据的光纤。

可以通过激光器模块125将光功率供应给光学引擎120，所述激光器模块实现远程激光源的作用，并且另外包含控制和管理功能。接口(例如，使用例如记录在sff-8636规范中协议的接口(例如，i2c或spi接口)，所述规范由存储网络行业协会发布，且可从members.snia.org/document/dl/26713获得)可用于系统级控制cpu(可安装在母板145上)与激光器模块125中的控制集成电路(每个激光器模块可连接至相应的光学引擎120，如在下面进一步详细讨论)之间的通信。控制cpu与光学引擎120中的任何一个之间的通信可以通过激光器模块125中的相应控制集成电路经由光学引擎120与激光器模块125中的控制集成电路之间的接口(例如，如图4所示的i2c接口)来中继。在一些实施方案中，光学引擎120与控制cpu之间的唯一连接是通过光学引擎120与激光器模块125之间的i2c连接。可以按面板式可插拔多源协议(msa)形状因素(qsfp-dd)封装激光器模块125，以提供简单的激光器现场维修，以及与集成激光器相比更有利的激光器热环境(外壳105的前部，即恰好在面板内部(可以是外壳105的一个外壁或外部“边界”)的温度例如比外壳105的后部，即恰好在冷却风扇的前面的温度低15℃至20℃)。

图1的封装概念可以包括基于51.2tbpsasic的1ru底架。光电开关模块110以45度角位于外壳105的中部；它包括围绕光电开关模块110的周边安装的十六个3.2-tbps光学引擎120。如图1所示，光电开关模块110包括电子开关asic(例如，cmos分组交换asic)和多个光学引擎120。在操作中，光学引擎120(如上所述)将接收到的光学数据信号(从外壳105的外部接收)转换为电数据信号。电数据信号由电子开关asic处理(例如交换或路由)，并且由电子开关asic产生的已处理电数据信号(由光学引擎120)转换为光数据信号(从外壳105发送出去)。如上所述，可以通过调制从激光器模块125接收的光来(在光学引擎120中)执行从电数据信号到光学数据信号的转换。在一些实施方案中，底架100包括八个激光器模块125，每个激光器模块服务两个引擎。如图所示，八个激光器模块125中的四个可以安装在面板左端的四个相应插座中，并且八个激光器模块125中的四个可以安装在面板右端的四个相应插座中。如图所示，插线电缆经由一组相应的多光纤推入式(mpo)隔板连接器将激光器模块125的输出光纤作为光供电输入环回至外壳105中。可通过面板中间布置的16个mpo-16连接器获得128个开关端口(每个端口均为400gbps开关端口)的光信号。在一些实施方案中，光电开关模块110包括16个光学引擎120，每个光学引擎通过32个100gbpspam-4信道提供3.2tbps的全双工容量。系统可能符合400gbase-fr4光接口；在一些实施方案中，替代地实现了400gbase-dr4。后者可以使用光学数据端口的不同连接器布置，因为它包含四倍的光纤。

在某些实施方案中，51.2tbps(或“51.2t”)开关具有128个端口(每个端口均为400g-fr4端口)，因此它可能总共具有256个信号光纤，每端口一个传输光纤且每端口一个接收光纤，每光纤具有四个(波分复用wdm，例如，粗wdm(cdwm)或密集wdm(dwdm))通道。开关的光学400gbps数据端口通过十六个mpo-16多光纤连接器在面板上进行连接器连接。这样，八个端口可以共享单个连接器。为了分别用连接器连接每个四通道端口，可以在另一个插线板上断开面板中的光纤束，以露出128个单独的400gbps端口。在某些情况下，有可能将八个400g端口以聚合束的形式路由，并且可能不需要单独的分支。底架还具有中板光纤到光纤连接器，所述连接器将来自光学引擎120的光纤带状尾纤直接连接至光纤电缆，所述光纤电缆被路由到面板mpo连接器(调制光通过所述面板mpo连接器进出外壳105传播，并且未调制激光通过所述面板mpo连接器从激光器模块125传播到底架中)。底架在外壳105内包括32根光纤电缆。在一些实施方案中，mpo连接器也用于这些中板连接器。将在下面更详细地描述光纤管理。

参考图2，在一些实施方案中，激光器模块125是具有标准qsfp-dd形状因数的可插拔激光器模块。这使得它们能够安装在外壳105的面板中，并且使得能够进行现场维修且为激光器提供低温环境(相对于外壳105的内部)，从而最大程度地提高可靠性。每个激光器模块125可具有带电接口350(例如，电连接器)的第一端和带光接口310(例如，一个光连接器(例如，mpo连接器)或两个光连接器(例如，两个mpo连接器))的第二端。每个激光器模块125可被插入(或“接合”)qsfp-dd插座(例如，激光器模块125的电连接器可被接合在插座中)中，所述插座在面板中(即，延伸穿过面板)。在一些实施方案中，一个或多个激光器模块125替代地具有osfp形状因数。在一些实施方案中，光连接器和电连接器都在激光器模块125的同一端上，并且被配置为与一起定位于(或一起集成在)面板上的一对对应的连接器接合。在此种实施方案中，激光器模块125的形状因数在一些方面可以与例如qsfp-dd不同，以适应修改后的连接器配置。此种实施方案可以使用更少的面板空间并且减少在维修期间操作员暴露于激光的风险。

激光器模块125可以使用单模光纤(smf28)耦合至光学引擎120。在一些实施方案中，单模光纤可以是偏振保持的，特别是当传输pic包括偏振相关元件时。底架可以包括八个激光器模块125，每个激光器模块向两个光学引擎120供应光功率(因此每个激光器模块125向总共64个通道供应未调制光)。(在光学引擎120中)每个传输pic可以实施1:2的光功率分配，并且每个激光器模块125可以具有32根光纤，这些光纤连接至面板上的一个mpo-32连接器。每个激光器模块125还包括两个控制集成电路(控制ic)(一个用于到达光学引擎)，所述控制ic实施对激光器和光学器件的控制、管理和测试接口。例如，如图4所示，每个控制集成电路可以包括：(i)用于向激光器模块125的激光器供应驱动电流的电路(例如，具有电流源输出的数模转换器(idac))，(ii)放大器(或“mpdamp”)(例如跨阻放大器)，用于放大来自激光器模块125中的监控光电二极管的信号，(iii)温度感测(或“tempsense”)电路，(iv)内置自检(bist)电路，(v)微控制器，以及(vi)一个或多个稳压器。电力和低速电连接(例如，i2c连接)可以通过母板145并通过激光器模块125的第一端处的电接口(分别从电源135和从光学引擎120)路由到激光器模块125。图4还示出了主机接口(例如，到控制cpu的接口)以及光学引擎120的框图，在一些实施方案中，光学引擎120包括电吸收调制器(eam)、用于电吸收调制器的驱动器电路、光电检测器(pd)(例如，光电二极管)、用于放大光电检测器的输出的跨阻放大器(tia)，以及主机接口电路。

每个激光器模块125可以使用混合集成分布式反馈激光器(dfb)来构造，并使用多管芯dfb激光器集成来组装。通过执行多管芯dfb激光器集成，这些分布式反馈激光器可以产生cwdm(或dwdm)所需的不同波长。集成技术在图3中示出，图3示出了混合激光器芯片205的示例，所述混合激光器芯片205包括倒装在硅光子(siph)光子集成电路(pic)210上的单个inp管芯。如上所述，pic可以包括模式转换器(例如，锥形波导)，每个模式转换器可以被配置为将由激光器产生的第一横向光学模式转换为适合于将光发射到单模光纤中的第二横向光学模式。pic还可以包括v形槽的阵列，用于将此类光纤的阵列被动对准到pic210上的相应波导。分布式反馈激光器可以具有无跳模操作和高背射容限。

在一些实施方案中，多微米波导平台促进完全加工和测试的iii-v装置管芯的高通量被动对准，其通过在管芯和晶片级均具有商业高精度和高通量的管芯键合机来实施。这形成适合大规模制造的低成本且可靠的片上激光器。在此种方法中，直接边缘耦合可以提供良好的模式匹配，从而以2d被动对准有效地耦合至3μm波导。此外，由于iii-v装置管芯直接散热到硅pic的硅基板上，因此可以采用低成本的非密封封装，并且可以实现良好的热性能。在一些实施方案中，不使用光学隔离器或耦合透镜，从而形成简单的光学系统。

激光器模块125可以实现两个主要作用：它可以(i)提供光功率，并且它可以(ii)实施控制和管理功能。激光器模块125可以是面板式可插拔的，并且可以具有qsfp-dd形状因数，从而使其易于在现场维修。每个激光器模块125可以服务于两个光学引擎：它可以为每个光学引擎120提供16个通道，所述通道在引擎的pic上以1:2的比例拆分以为其所有32个通道供电(在一些实施方案中，拆分因数更高(例如1:4或1:8)，以减少光纤计数)。每个通道在单独的光纤上承载总共32根光纤；在一些实施方案中，在同一光纤上不存在(未调制激光的)波长的多路复用。在其它实施方案中，可以使用激光器模块125中的复用器和传输pic上的解复用器，将多个波长的未调制光复用到单个光纤上(以减少光纤计数)。光纤经由mpo-32连接器进行连接器连接。激光器模块125与短插线电缆(或“环回”光纤电缆150(图1和图5))连接，所述短插线电缆可以在激光器模块125的第二端连接至光接口(例如，光连接器)，从而连接至面板上的相应功率输入光连接器(例如，mpo连接器)，所述输入光连接器将携载未调制光的输入光纤路由到相关的一对光学引擎。在一些实施方案中，eam是与偏振无关的，并且光纤不需要是偏振保持的(或“保偏的”)。

激光器模块125还包括两个控制ic，每个引擎一个，如上所述，它们提供控制和管理功能。这些控制ic可以例如根据取代sff规范的通用管理接口规范(cmis)来实施管理接口。图2是激光器模块125的机械图，包括具有32个激光器(在8个芯片上，每个芯片具有四个不同波长处的四个激光器)的倒装激光器组件的特写。四个波长可具有20nm(或在一些实施方案中，4.5nm、0.8nm、0.4nm或0.2nm)的标称波长间隔。激光器模块125可以使用来自2.5v电源的功率。激光器模块125与光学引擎120之间的低数据速率电连接可以通过可插拔激光器模块125上的电连接、跨母板145以及通过光电开关模块110到光学引擎连接器的封装来实现。激光器模块125可以包括热电冷却器(tec)以调节激光器的温度。

在一些实施方案中，激光器是iii-vn型分布式反馈激光器(dfb)。激光二极管以32的阵列(例如8个激光器芯片，每个激光器芯片包括4个激光器)布置在公共pic上。监控光电二极管(mpd)(可以存在于pic上的一个或多个其它单独的光电二极管芯片上，每个光电二极管芯片具有光电二极管阵列)集成到同一pic上。图4示出包括控制和主机接口的激光器模块125的框图。

图5a描绘在一些实施方案中的光纤管理。光电开关模块110的每个边缘容纳总共128根光纤：每个引擎32根光纤，包括16根数据光纤(8根传输、8根接收)和用于未调制激光的16根输入光纤(每根输入光纤连接至光学引擎120的pic上的1:2功率分配器)。底架包括用于光电开关模块110的四个边缘中的每个边缘的中板连接器405。每个中板连接器405可以是一对一的连接器，也可以是重新布置(或“旋转”)并将来自引擎的光纤尾纤带与路由至面板的光纤电缆组合在一起的连接器。对于光电开关模块边缘的四个边缘中的每个边缘，底架包括四束(或“光纤电缆”)，每束16根功率光纤。每根此种光纤电缆附接至面板上的两个光功率输入mpo-32连接器。携载来自面板上的mpo-32连接器的光功率的32根光纤电缆中的每根光纤电缆被分成两根16光纤电缆，每根16光纤电缆将未调制光传递至相应的光学引擎120。数据光纤被组合为16根光纤的四根电缆(8对光纤，每个光纤对具有用于输出数据(tx)的一根光纤和用于输入数据(rx)的一根光纤)。每根数据光纤可以连接至面板上的mpo-16连接器。每个中板连接器405可以是两侧的mpo型连接器，其损耗可能小于0.5db。图5b示出了扇出布置的放大图，所述扇出布置用于经由光纤带将光学引擎120的光纤尾纤连接至中板连接器405或“mpo适配器块”，并经由16光纤圆形电缆连接至面板。

图6示出在一些实施方案中的主要组件的布局。矩形(例如正方形)的光电开关模块110可以相对于外壳105倾斜，外壳105可以是矩形(例如正方形)的。在一些实施方案中，光电开关模块110相对于外壳105以大约45度(例如，在30度与60度之间)定向。此定向可有助于避免存在主要横向于穿过外壳105的空气流延伸(从而阻止空气流)的光纤电缆。

如本文所使用的，术语“矩形”在特殊情况下包括正方形，使得正方形的东西也为“矩形”。本文叙述的任何数值范围旨在包括纳入叙述范围内的相同数值精度的所有子范围。例如，“1.0至10.0”或"1.0与10.0之间"的范围意在包括在引用的最小值1.0与引用的最大值10.0(含1.0和10.0)之间的所有子范围，即具有等于或大于1.0的最小值以及等于或小于10.0的最大值，例如2.4至7.6之间。本文列举的任何最大数值限值旨在包括其中包含的所有较低数值限值，并且本说明书中列举的任何最小数值限值旨在包括其中包含的所有较高数值限值。

如本文所使用的，某物的“一部分”是指事物的“至少一些”，因此可能意味着少于事物全部或全部。这样，事物的“一部分”作为特例包括整个事物，即，整个事物是事物的一部分的示例。

本文描述的各种组件(例如，开关asic或激光器模块125的微控制器)可以是一个或多个处理电路的部分。术语“处理电路”在本文中用来表示用于处理数据或数字信号的硬件、固件和软件的任何组合。处理电路硬件可以包括例如专用集成电路(asic)、通用或专用中央处理单元(cpu)、数字信号处理器(dsp)、图形处理单元(gpu)，以及例如现场可编程门阵列(fpga)的可编程逻辑装置。在本文所用的处理电路中，每个功能或者由配置为(即硬连线)以执行所述功能的硬件来执行，或者由配置为执行存储在非暂时性存储介质中的指令的更通用的硬件(例如cpu)来执行。处理电路可以制造在单个印刷电路板(pcb)上，或分布在几个互连的pcb上。处理电路可以包含其它处理电路；例如，处理电路可以包括互连在pcb上的两个处理电路，即fpga和cpu。

如本文所使用的，当第二数字是第一数字的“y％以内”时，意味着第二数字至少是第一数字的(1-y/100)倍，并且第二数字至多是第一数字的(1+y/100)倍。如本文所使用的，词语“或”是包括性的，因此，例如，“a或b”表示(i)a、(ii)b和(iii)a和b中的任何一个。

将理解的是，当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接至”、“耦合至”或“邻近”于另一元件或层时，其可以直接在、连接至、耦合至或邻近于另一元件或层，或者可以存在一个或多个中间元件或层。相比之下，当元件或层被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接至”、“直接耦合至”或“紧邻”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。

尽管在本文中已经具体描述和示出了面板式可插拔远程激光源的示例性实施方案，但是许多修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，应当理解，除了本文具体描述的以外，可体现根据本公开的原理构造的面板式可插拔远程激光源。本发明也由以下权利要求及其等同物限定。